重离子束调节抗肿瘤免疫效应及与免疫疗法联合应用的基础研究进展

发布时间：2021-11-29 10:11:46来源：肿瘤免疫细胞治疗资讯

本文来源：中华放射肿瘤学杂志,2021,30(8):867-870.

DOI：10.3760/cma.j.cn113030-20200929-00487

本文引用：耿一超,张秋宁,卢冰,等.重离子束联合免疫疗法治疗恶性肿瘤的基础研究进展[J].

摘要

近年来重离子束因其放射物理学及生物学特性在恶性肿瘤放疗方面受到高度关注。重离子治疗已经在临床上取得了一定成果，局部肿瘤控制率高是其一大优势，但在多数恶性肿瘤治疗中转移病灶的控制仍然至关重要。常规放疗与免疫疗法联合应用的临床研究提示两者联合不仅可以控制原发病灶，还有可能减少或完全消除远处转移性病灶。而高能量线性传递射线尤其是重离子束在联合免疫治疗方面可能具有更强的潜力，故本文重点综述了重离子束调节抗肿瘤免疫效应及与免疫疗法联合应用的基础研究进展。

肿瘤免疫治疗的发明被认为是抗癌药物的第3次革命，现已成为恶性肿瘤全身治疗的重要组成部分，目前临床主要的应用有检查点抑制剂、过继免疫治疗和肿瘤疫苗等[1]。放疗曾被认为只具有免疫抑制作用，但近来多项研究表明放疗在杀伤肿瘤细胞的同时，可增加肿瘤相关抗原释放表达、改善肿瘤免疫抑制微环境、激活特异性T细胞免疫应答和促使肿瘤细胞形成原位疫苗等，从而促进机体抗肿瘤免疫反应[2]。免疫-放射联合治疗已成为一种新的恶性肿瘤治疗模式，并已在临床应用中展现出显著优势[2,3]。与常规射线相比，重离子束在诱导机体抗肿瘤免疫反应及与免疫疗法联合应用方面可能存在更大潜力，本文就相关基础研究进行综述。

01

重离子束特点简述

重离子是指原子序数>2并被电离的粒子，较常规射线具有更好的放射物理学特性[4,5]。以碳离子为代表的重离子束进入人体组织后剂量曲线首先形成低剂量的坪区，在达到一定深度后在其射程尾端会出现一个陡峭的剂量峰区，即Bragg峰，调整后可使得大部分能量精准沉积在肿瘤区域。重离子束也拥有更小的射程歧离和横向散射，因此边缘半影更锐利，对周围正常组织的损伤较小[4,5,6]。此外，重离子束与组织相互作用能发射正电子束，利用PET-CT显像能够直接监测重离子束流在人体内的行程轨迹和剂量分布情况，这也是重离子束独有的特性[4]。重离子束同样拥有好的放射生物学特性，可导致肿瘤细胞DNA产生以双链破坏为主的复杂性团簇损伤，这种致死性DNA损伤难以被修复。相比常规射线，重离子束氧增强比小，对氧浓度的依赖低，对不同细胞周期的肿瘤细胞均能够高效杀灭[5]。此外，p53突变的细胞对光子束一般具有放射抗性，而重离子束能降低肿瘤干细胞的活力及无视肿瘤p53的突变情况导致肿瘤凋亡[7,8]。因为这些优点，重离子束被誉为是21世纪最优越的放疗用射线。

02

重离子束照射调节抗肿瘤免疫应答的相关机制

不论射线种类，放射诱导的免疫原性细胞死亡(immunogenogeniccelldeath，ICD)都是启动机体抗肿瘤免疫应答的一个关键过程。受照射死亡的癌细胞免疫原性增强，被吞噬细胞摄取，由非免疫原性转化为免疫原性介导抗肿瘤免疫应答，此现象被称为ICD[9]。放射线导致的ICD可分为抗原性和佐剂性两种。首先是放疗所导致的抗原性，其特征在于放疗使得肿瘤相关抗原的表达增加，T细胞可识别肿瘤细胞表面的这些特异性抗原，从而介导肿瘤病灶的消退[2,9]；放射线所致抗原性还能增强MHC-I的表达，使得抗原呈递增强。放射线导致的佐剂性主要是与固有免疫当中的损伤相关分子模式(damageassociatedmolecularpatterns，DAMPs)的释放有关。DAMPs为放射时肿瘤细胞胞膜表面上调释放的一系列免疫信号分子，其包括早期暴露在胞膜表面的内质网钙网蛋白(calreticulin，CRT)、胞外分泌的三磷腺苷(adenosinetriphosphate，ATP)、热休克蛋白-抗原肽复合物和后期释放的高迁移率族蛋白B1(high-mobilitygroupbox1protein，HMGB1)等，可协同抗原性增强的肿瘤细胞启动适应性免疫反应[2,9]。重离子束诱导抗肿瘤免疫应答相比常规射线拥有一些独特的机制，下面分别介绍。

1．DNA损伤模式：

GMP-AMP合成酶(GMP-AMPsynthase，cGAS)/干扰素基因刺激物(stimulatorofinterferongenes，STING)通路是放射调节抗肿瘤免疫应答的重要通路之一。放射线导致肿瘤细胞的DNA损伤，同时会导致断裂的DNA片段积聚到细胞质当中。cGAS主要结合细胞质中的双链DNA后被激活，催化ATP和三磷酸鸟苷生成环化二聚核酸化合物cGAMP，激活STING蛋白，诱导Ⅰ型干扰素和其他免疫应答基因表达。Ⅰ型干扰素可增加BATF-3树突状细胞的募集。BATF-3树突状细胞将肿瘤相关抗原交叉递呈给CD8+细胞毒T淋巴细胞(cytotoxicTcell，CTL)，从而产生有效的免疫应答[10]。因此cGAS的活化强度与细胞质中双链DNA断裂片段的量成正比[10]。重离子束等高能量线性传递(linearenergytransfer，LET)射线照射后肿瘤细胞的损伤正是以双链DNA断裂的为主，而光子束等常规射线则以DNA单链损伤为主[4,5,6]。相比常规射线，重离子束照射在细胞质当中积聚的双链DNA的量更多，因此可以更加有效激活cGAS/STING通路，诱导机体产生更多的有效免疫应答。并且重离子束照射会形成非常短的双链DNA断裂片段，而这种标志性的DNA损伤是重要的DAMPs，当其释放到细胞外环境中时，可通过核酸传感器TLR9诱导机体促炎细胞因子的相关信号通路，从而刺激机体免疫应答[11]。

重离子照射后可增加微核的形成也是高LET射线特征性的DNA损伤标志之一[12]。微核也称卫星核，真核生物细胞中的一种异常结构，是基因组不稳定在细胞中的一种表现形式；由有丝分裂后期丧失着丝粒的染色体断片产生，可由错配染色体和染色体片段组成[13]。Durante和Formenti[12]研究提示碳离子束照射相比X射线更能导致肿瘤细胞中有效的微核形成，并且形成的微核可持续存在于子代细胞中。当微核包膜破裂时可释放双链DNA的碎裂片段到细胞质当中，此时可能发生cGAS的高度活化从而激活cGAS/STING通路从而使机体产生抗肿瘤免疫应答[12,13]。重离子束独特的DNA损伤模式是其产生与常规射线不同免疫应答的重要原因之一。

2．剂量分割模式：

探索能够有效诱导机体免疫应答的放射剂量分割模式一直是免疫联合放疗的重要任务之一。有观点认为使用单次较高的分割剂量，如立体定向放疗(stereotaxisradiotherapy，SRT)等方式，可能会使机体产生更强的抗肿瘤免疫应答，诱导更强的肿瘤细胞ICD[14]。Vanpouille-Box等[15]发现Trex1是放射诱导免疫原性的关键调节因子，可以降解细胞质中的双链DNA片段从而对抗STING蛋白的激活，影响Ⅰ型干扰素的表达，从而降低免疫应答。照射肿瘤细胞时，光子束单次剂量为12～18Gy时可引起Trex1高表达，而放射分割模式为8Gy3次时，Trex1的表达不会明显增高，反而增加了Ⅰ型干扰素的产生，使得CD8+CTL介导的的免疫应答增强。剂量分割模式的不同对重离子束诱导免疫应答的影响同样存在。CRT转位至细胞膜表面被认为是证明细胞ICD发生的关键性标志之一[9,16]，细胞实验和动物实验均证实重离子相比常规射线更能增加ATP、HMGB1和CRT等DAMPs的表达从而诱导更强的肿瘤细胞ICD[17,18]。Huang等[19]研究显示，低剂量(2、4Gy)碳离子束照射具有比质子束和光子束更强的诱导ICD能力，但在高剂量(10Gy)下，CRT表达水平反而下降。造成CRT水平下降的原因可能是照射剂量超过了诱导肿瘤细胞ICD的最佳剂量窗口，引发了与低剂量不同的细胞死亡模式。这表明重离子束诱导机体抗肿瘤免疫应答与光子束不同，但不同的剂量分割也会产生不同形式和强度的免疫应答，在联合免疫治疗时过高的单次分割剂量还需谨慎考虑。

3．自噬与神经酰胺通路：

自噬是细胞在自噬相关基因的调控下利用溶酶体降解自身受损的细胞器和大分子物质的过程，机体可通过自噬以实现细胞稳态和细胞器的更新。研究显示自噬在诱导肿瘤细胞ICD及随后的免疫应答中发挥重要作用，其机制主要是自噬诱导应激或濒死细胞释放ATP，而ATP是机体产生有效免疫应答的必要条件之一[20]。放射线能够有效诱导肿瘤细胞自噬，并能够增强免疫治疗的疗效已在黑色素瘤小鼠模型中得到证实[21]。而自噬又正是重离子束等高LET照射后细胞死亡的重要类型。Altmeyer等[22]用高LET射线照射SK-Hep1小鼠原位肝癌移植瘤模型，结果显示自噬是高LET照射后肿瘤细胞死亡的主要模式，Jin等[23,24]用碳离子束照射肿瘤细胞得出了同样的结论，考虑其机制可能是重离子束照射通过未折叠蛋白应答来刺激诱导自噬。

神经酰胺代谢是鞘磷脂代谢的中心环节，在细胞凋亡和自噬中作为关键介质发挥作用。Seideman等[25]研究提示高LET射线比常规射线更能有效激活肿瘤细胞中的神经酰胺通路，而神经酰胺通路的激活又能增强MHC-I分子表达从而上调肿瘤抗原呈递增加抗肿瘤免疫应答[26]。这可能是重离子束等高LET射线能够有效诱导肿瘤细胞自噬的另一条通路。

03

重离子束联合免疫治疗的基础研究

临床上发现，在对肿瘤局部放疗时，未照射的远处转移灶也可能会缩小，这种射野外的远处肿瘤消退现象被命名为"远隔效应"[27]。放射线引起远隔效应的机制主要是直接杀伤局部肿瘤导致肿瘤抗原释放，形成原位肿瘤疫苗后激活免疫系统，使肿瘤微环境从免疫荒漠型转变为炎性免疫浸润型，随后导致免疫反应的级联激活，最终激活机体对未照射的肿瘤产生免疫应答[2]。目前临床报道的放疗引起的远隔效应一般为病例报告，其发生具有偶然性，而免疫-放射联合治疗相比单纯放疗能够增加发生远隔效应的可能性[28,29]。多项动物荷瘤模型研究提示碳离子束照射与免疫治疗联合时可获得相比单独应用或光子束联合免疫治疗时更好的疗效，尤其在控制远处转移灶方面[30,31,32]。

Ando等[30]使用NR-S1小鼠鳞癌肺转移模型对比了碳离子或光子放疗联合树突状细胞(dendriticcell，DC)免疫治疗的疗效，结果提示与单独光子放疗、单独免疫治疗和单独碳离子放疗相比，碳离子联合DC可使肺转移灶数量显著减少；且碳离子束在低剂量时(2～4Gy)联合DC即可显著抑制肺转移，而光子束联合DC在较高剂量下(15Gy)才能显著抑制肺转移。这提示在相同生物效应剂量下，碳离子束对机体抗肿瘤免疫效应的激活更显著。但无论碳离子束还是光子束，静脉给予DC的抗转移作用均显著大于肿瘤内注射DC。同时碳离子照射的NR-S1细胞表达CRT的水平明显增加，考虑局部碳离子照射联合静脉注射DC能通过增加CRT表达加强肿瘤细胞的ICD，并刺激DC成熟诱导抗肿瘤免疫应答从而抑制未照射的远处转移病灶。

Takahashi等[31]使用LM8小鼠骨肉瘤双后肢荷瘤模型，分对照组、单独使用PD-L1单抗+CTLA-4单抗(P1C4组)、碳离子单侧后肢肿瘤放疗组及碳离子单侧后肢肿瘤放射联合P1C4联合组(Comb组)；结果显示Comb组较其他组CD8+T等免疫细胞更加显著活化，Comb组HMGB-1的表达和释放也显著增加；Comb组64%的小鼠中观察到未照射的肿瘤完全缓解，而P1C4组只有20%的小鼠表现出未照射肿瘤完全缓解，且Comb组小鼠的总生存期显著延长；结论提示碳离子联合免疫检查点抑制剂在原发肿瘤和远处转移病灶中均显著增加了抗肿瘤免疫疗效，而这种疗效的增加与CD8+肿瘤浸润淋巴细胞的数量和活力紧密相关。

Matsunaga等[32]使用低免疫原性SCCVⅡ小鼠鳞癌模型对比裸鼠荷瘤模型进行碳离子联合DC的疗效比较，结果提示在存在低免疫原性的小鼠模型中，碳离子联合DC可使原发肿瘤和转移性肿瘤均显著性消退；但在裸鼠中却既不能消除原发性肿瘤，也不能消除继发性肿瘤。考虑碳离子联合DC的抗肿瘤作用是通过CD8+CTL的特异性免疫起作用的。上述研究的结果与临床观察到的结果同样契合，免疫相关细胞尤其是T淋巴细胞的数量和活性是免疫治疗发挥作用的关键，因此在评价局部照射对机体产生的免疫刺激时，还必须考虑照射对机体内免疫相关细胞的影响，而免疫相关细胞一般又对放射线高度敏感。研究显示常规放疗可导致血液中淋巴细胞数量下降并影响免疫治疗疗效[33]，但碳离子可以降低这种血液不良反应的发生率[34]，原因考虑是重离子束的物理学优点降低了正常组织的受照体积，从而保留了更多的免疫相关细胞数量和活性。这可能是重离子束在与免疫治疗联合中的又一个优势。

04

前景与展望

目前尚无关于重离子束联合免疫治疗的临床试验公布结果，但已有一些临床试验注册，详见表1。

综上所述，由于放射生物学、放射物理学及放射免疫学等方面的优势，重离子束在诱导机体抗肿瘤免疫效应及未来与免疫治疗的联合应用中具有巨大潜力，但相关研究仍在起步阶段。目前的研究工作主要集中在阐明重离子束照射后肿瘤细胞死亡的机制、引起的局部肿瘤微环境改变以及调控全身抗肿瘤免疫应答的机制。重离子技术仍在不断进步，在未来几年使用新的重离子如氧离子束流治疗肿瘤将成为可能。

利益冲突未因进行该研究接受任何不正当的职务或财务利益

参考文献

吴锦，吕佳忆，蓝艳，等.肿瘤免疫治疗的研究进展[J].细胞与分子免疫学杂志，2019,35(7)：659-664.

WuJ,LyuJY,LanY,etal.Researchprogressintumorimmunotherapy[J].JCellMolImmunol,2019,35(7)：659-664.

韩春燕，刘庆云，盛立军.放疗联合免疫治疗机制及临床研究进展[J].中华肿瘤防治杂志，2019,26(18)：1317-1322.DOI：10.16073/j.cnki.cjcpt.2019.18.01.

HanCY,LiuQY,ShengLJ.Mechanismofradiotherapyandimmunotherapyandclinicalresearch[J].ChinJCancerPreventCont,2019，26(18)：1317-1322.DOI：10.16073/j.cnki.cjcpt.2019.18.01.

EbnerDK,TinganelliW,HelmA,etal.Theimmunoregulatorypotentialofparticleradiationincancertherapy[J].FrontImmunol,2017,8：99.DOI：10.3389/fimmu.2017.00099.

张俸萁，王琳，李甸源，等.碳离子束治疗肿瘤的研究进展[J].癌症进展，2019,17(22)：2620-2622，2732.DOI：10.11877/j.issn.1672-1535.2019.17.22.04.

ZhangFQ,WangL,LiDY,etal.Researchprogressincarbonionbeamtreatingtumors[J].CancerProg,2019，17(22)：2620-2622，2732.DOI：10.11877/j.issn.1672-1535.2019.17.22.04.

戴迎初，陆嘉德，周光明.重离子治疗肿瘤的生物学基础研究进展[J].中华放射医学与防护杂志，2020,40(3)：247-52.DOI：10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2020.03.013.

DaiYC,LuJD,ZhouGM.Progressinthebiologyfoundationofheavyiontreatmentoftumors[J].ChinJRadiolProtect,2020,40(3)：247-252.DOI：10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2020.03.013.

MatsufujiN.Selectionofcarbonbeamtherapy：biophysicalmodelsofcarbonbeamtherapy[J].JRadiatRes,2018,59(Suppl_1)：i58-i62.DOI：10.1093/jrr/rry014.

KrauseM,DubrovskaA,LingeA,etal.Cancerstemcells：Radioresistance,predictionofradiotherapyoutcomeandspecifictargetsforcombinedtreatments[J].AdvDrugDelivRev，2017，109：63-73.DOI：10.1016/j.addr.2016.02.002.

MoriE,TakahashiA,YamakawaN,etal.HighLETheavyionradiationinducesp53-independentapoptosis[J].JRadiatRes,2009,50(1)：37-42.DOI：10.1269/jrr.08075.

GalluzziL,BuquéA,KeppO,etal.Immunogeniccelldeathincancerandinfectiousdisease[J].NatRevImmunol,2017,17(2)：97-111.DOI：10.1038/nri.2016.107.

DengL,LiangH,XuM,etal.STING-dependentcytosolicdnasensingpromotesradiation-inducedtypeiinterferon-dependentantitumorimmunityinimmunogenictumors[J].Immunity,2014,41(5)：843-852.DOI：10.1016/j.immuni.2014.10.019.

MarsmanG,ZeerlederS,LukenBM.Extracellularhistones,cell-freeDNA,ornucleosomes：differencesinimmunostimulation[J].CellDeathDis,2016,7(12)：e2518.DOI：10.1038/cddis.2016.410.

DuranteM,FormentiS.Radiation-inducedchromosomalaberrationsandimmunotherapy：micronuclei,cytosolicDNA,andinterferon-productionpathway[J].FrontOncol,2018,8：192.DOI：10.3389/fonc.2018.00192.

HintzscheH,HemmannU,PothA,etal.Fateofmicronucleiandmicronucleatedcells[J].MutatRes,2017,771：85-98.DOI：10.1016/j.mrrev.2017.02.002.

BernsteinMB,KrishnanS,HodgeJW,etal.Immunotherapyandstereotacticablativeradiotherapy(ISABR)：acurativeapproach？[J].NatRevClinOncol,2016,13(8)：516-524.DOI：10.1038/nrclinonc.2016.30.

Vanpouille-BoxC,AlardA,AryankalayilMJ,etal.DNAexonucleaseTrex1regulatesradiotherapy-inducedtumourimmunogenicity[J].NatCommun,2017,8：15618.DOI：10.1038/ncomms15618.

SukkurwalaAQ,AdjemianS,SenovillaL,etal.ScreeningofnovelimmunogeniccelldeathinducerswithintheNCIMechanisticDiversitySet[J].Oncoimmunology,2014,3：e28473.DOI：10.4161/onci.28473.

DuranteM,FormentiS.Harnessingradiationtoimproveimmunotherapy：betterwithparticles？[J].BrJRadiol,2020,93(1107)：20190224.DOI：10.1259/bjr.20190224.

OnishiM,OkonogiN,OikeT,etal.Highlinearenergytransfercarbon-ionirradiationincreasesthereleaseoftheimmunemediatorhighmobilitygroupbox1fromhumancancercells[J].JRadiatRes,2018,59(5)：541-546.DOI：10.1093/jrr/rry049.

HuangY,DongY,ZhaoJ,etal.Comparisonoftheeffectsofphoton，protonandcarbon-ionradiationontheecto-calreticulinexposureinvarioustumorcelllines[J].AnnTranslMed,2019,7(20)：542.DOI：10.21037/atm.2019.09.128.

JinY,HongY,ParkCY,etal.Molecularinteractionsofautophagywiththeimmunesystemandcancer[J].IntJMolSci,2017,18(8)：1694.DOI：10.3390/ijms18081694.

KimS,RamakrishnanR,Lavilla-AlonsoS,etal.Radiation-inducedautophagypotentiatesimmunotherapyofcancerviaup-regulationofmannose6-phosphatereceptorontumorcellsinmice[J].CancerImmunolImmunother,2014,63(10)：1009-1021.DOI：10.1007/s00262-014-1573-4.

AltmeyerA,IgnatM,DenisJM,etal.Celldeathafterhigh-LETirradiationinorthotopichumanhepatocellularcarcinomainvivo[J].invivo,2011,25(1)：1-9.

JinX,LiuY,YeF,etal.Roleofautophagyinhighlinearenergytransferradiation-inducedcytotoxicitytotumorcells[J].CancerSci,2014,105(7)：770-778.DOI：10.1111/cas.12422.

JinX,LiF,ZhengX,etal.CarbonionsinduceautophagyeffectivelythroughstimulatingtheunfoldedproteinresponseandsubsequentinhibitingAktphosphorylationintumorcells[J].SciRep,2015,5：13815.DOI：10.1038/srep13815.

SeidemanJH,StancevicB,RotoloJA,etal.Alphaparticlesinduceapoptosisthroughthesphingomyelinpathway[J].RadiatRes,2011,176(4)：434-446.DOI：10.1667/rr2472.1.

DeWolfK,VermaelenK,DeMeerleerG,etal.Thepotentialofradiotherapytoenhancetheefficacyofrenalcellcarcinomatherapy[J].Oncoimmunology,2015,4(10)：e1042198.DOI：10.1080/2162402x.2015.1042198.

NgwaW,IraborOC,SchoenfeldJD,etal.Usingimmunotherapytoboosttheabscopaleffect[J].NatRevCancer,2018,18(5)：313-322.DOI：10.1038/nrc.2018.6.

IgarashiH,FukudaM,KonnoY,etal.Abscopaleffectofradiationtherapyafternivolumabmonotherapyinapatientwithoralmucosalmelanoma：acasereport[J].OralOncol,2020,108：104919.DOI：10.1016/j.oraloncology.2020.104919.

NgJ,DaiT.Radiationtherapyandtheabscopaleffect：aconceptcomesofage[J].AnnTranslMed,2016,4(6)：118.DOI：10.21037/atm.2016.01.32.

AndoK,FujitaH,HosoiA,etal.IntravenousdendriticcellaDministrationenhancessuppressionoflungmetastasisinducedbycarbon-ionirradiation[J].JRadiatRes,2017,58(4)：446-455.DOI：10.1093/jrr/rrx005.

TakahashiY,YasuiT,MinamiK,etal.Carbonionirradiationenhancestheantitumorefficacyofdualimmunecheckpointblockadetherapybothforlocalanddistantsitesinmurineosteosarcoma[J].Oncotarget,2019,10(6)：633-646.DOI：10.18632/oncotarget.26551.

MatsunagaA,UedaY,YamadaS,etal.Carbon-ionbeamtreatmentinducessystemicantitumorimmunityagainstmurinesquamouscellcarcinoma[J].Cancer,2010,116(15)：3740-3748.DOI：10.1002/cncr.25134.

ChoY,ParkS,ByunHK,etal.ImpactofTreatment-relatedlymphopeniaonimmunotherapyforadvancednon-smallcelllungcancer[J].IntJRadiatOncolBiolPhys,2019,105(5)：1065-1073.DOI：10.1016/j.ijrobp.2019.08.047.

DuranteM,YamadaS,AndoK,etal.X-raysvs.carbon-iontumortherapy：cytogeneticdamageinlymphocytes[J].IntJRadiatOncolBiolPhys,2000,47(3)：793-798.DOI：10.1016/s0360-3016(00)00455-7.

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